Des atomes froids utilisés pour créer un manomètre fiable pour l’ultravide – Physics World

Des atomes froids utilisés pour créer un manomètre fiable pour l’ultravide – Physics World

Horodatage: 5 septembre 2023 12:25 PM

Pompe à vide NIST
Idée sympa : Daniel Barker, Steve Eckel, Jim Fedchak, Julia Scherschligt et leurs collègues du NIST ont développé et testé une technique qui utilise des atomes froids pour mesurer des pressions ultra-faibles. (Avec l'aimable autorisation : NIST)

Un effet qui fait normalement obstacle au piégeage magnétique des atomes a été exploité pour créer une nouvelle méthode de mesure de la pression dans les systèmes à ultra-vide (UHV). Stephen Eckel, Daniel Barker, Julia Scherschligt, Jim Fedchak et des collègues du National Institute of Standards and Technology (NIST) des États-Unis ont montré que les mesures effectuées avec un « étalon de vide à atome froid » (CAVS) correspondent étroitement à une technique standard actuelle pour effectuer des mesures de pression UHV. L’équipe estime que les CAVS pourraient s’avérer être un moyen plus fiable de mesurer la pression que certaines techniques existantes.

De nombreuses applications scientifiques et industrielles sont réalisées dans des conditions UHV et il est crucial que les très basses pressions dans de tels systèmes soient mesurées avec précision. Les pressions UHV sont généralement inférieures à 10-10  de la pression atmosphérique et sont généralement mesurés à l’aide de jauges à ionisation. Ces appareils ionisent certaines des molécules de gaz restantes (de fond) sous vide et les ions sont attirés vers une électrode chargée négativement. Le courant ionique résultant est mesuré et traduit en pression.

Cependant, les jauges à ionisation présentent plusieurs inconvénients, notamment la nécessité d'un étalonnage fréquent ; et une précision qui dépend de la composition du gaz de fond. En conséquence, ces jauges peuvent présenter des incertitudes de mesure importantes lorsqu’elles sont utilisées en UHV.

Atomes en collision

Le piégeage magnétique des atomes est une application importante réalisée sous UHV. Il s’agit de refroidir les atomes neutres jusqu’à un niveau proche du zéro absolu, ce qui permet d’utiliser les atomes ultrafroids pour explorer les propriétés quantiques de la matière. Pourtant, même lorsqu’ils sont maintenus en UHV, les atomes finiront par entrer en collision avec le gaz résiduel, les faisant sortir du piège.

Récemment, des chercheurs ont réalisé que ce problème pourrait devenir un avantage pour mesurer la pression du vide. "Au cours de la dernière décennie, plusieurs groupes de recherche ont travaillé sur l'utilisation de la perte d'atomes induite par le gaz de fond, qui est préjudiciable à la plupart des applications de la science quantique, pour mesurer la pression du vide dans la gamme UHV", explique Barker.

Les développements récents de la théorie de la diffusion quantique suggèrent que la vitesse à laquelle les atomes sont perdus dans les pièges magnétiques doit varier de manière prévisible et cohérente avec la pression exercée par le gaz de fond, quelle que soit sa composition. En conséquence, plusieurs études ont exploré l’idée selon laquelle des pièges magnétiques pourraient être utilisés comme étalons de vide pour atomes froids qui détermineraient la pression en utilisant le taux de perte des atomes piégés, sans qu’aucun étalonnage ne soit nécessaire.

Expansion dynamique

Dans son étude, l'équipe du NIST a tenté de montrer qu'un CAVS pouvait être utilisé pour mesurer la pression dans des conditions UHV. L'étude impliquait de fixer une paire de CAVS à un système d'expansion dynamique, considéré par le NIST comme la référence en matière de mesure du vide. Ces systèmes fonctionnent en injectant une quantité connue de gaz dans une chambre à vide, puis en l'enlevant de l'autre extrémité à un débit soigneusement contrôlé.

"La norme d'expansion dynamique définit une pression de vide connue d'un gaz connu que les deux CAVS doivent mesurer", explique Barker. "Si la pression définie par l'étalon d'expansion dynamique et la pression mesurée par les CAVS concordent dans leurs incertitudes, alors les CAVS sont validés : ce sont de véritables étalons de pression intrinsèquement précis pour l'ultravide."

Dans leur expérience, les chercheurs ont mesuré les variations des taux de collision entre des atomes de lithium et de rubidium piégés et ultrafroids et une variété de gaz nobles à température ambiante. Tout comme les précédents calculs de diffusion quantique l’avaient suggéré, les taux de perte mesurés à partir des pièges magnétiques CAVS constituaient une norme fiable pour la pression du vide.

Les relevés de pression d'un CAVS seront fiables même des années après le déploiement

Daniel Barker

« Nous avons constaté que les CAVS et la norme d’expansion dynamique concordent très bien ; ils signalent la même pression de vide », explique Barker. "Nous savons désormais que les relevés de pression d'un CAVS seront fiables même des années après son déploiement."

Suite à leur succès, Eckel et son équipe espèrent désormais que les instituts de métrologie du monde entier tenteront de reproduire leurs résultats en comparant les CAVS avec les mesures de pression sous vide effectuées à l'aide de leurs propres étalons d'expansion dynamique. Si un accord international peut être conclu, ils s’attendent à ce que les pressions du vide puissent bientôt être mesurées systématiquement avec beaucoup plus de précision qu’avec des jauges à ionisation – au bénéfice des chercheurs travaillant dans des domaines de recherche de pointe.

"Nous prévoyons que la fiabilité à long terme d'un CAVS pourrait être avantageuse dans les installations d'accélérateurs, les détecteurs d'ondes gravitationnelles et les usines de fabrication de semi-conducteurs de nouvelle génération", explique Barker. "Le NIST prévoit également de développer un CAVS comme étalon d'étalonnage pour les jauges produites commercialement."

La recherche est décrite dans AVS Science Quantique.

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